淺談環境科學中膠體分離的切向超濾技術

葉茂省

（惠州市保家環境工程有限公司，廣東 惠州 516003）

目前，常用的膠體分離技術主要有離心、凝膠色譜、滲析、離心超濾、樹脂吸附以及超濾。除了上面幾種，還有一種運用的比較廣泛的就是切向超濾技術，該技術具有處理量大、速度快以及損失的膠體量少的有點，因此在近些年的膠體分離中被廣泛運用。

1 切向超濾技術的原理

切向超濾系統中，其核心部位是由相互疊加的濾膜構成，在這些濾膜上，有不同大小的孔徑以分離不同大小的膠體。待分離水樣首先需除去懸浮顆粒，然后以一定的壓力切向流過濾膜表面，這樣一來，大部分的真溶解態的物質以及水都能在濾膜堆的另一側滲出，小部分孔徑較大的物質則在水的帶動下沿著膜表面切向流出，這樣便達到了分離真溶解態物質及膠體的目的。同滲析及反滲透方法相比，切向超濾技術能夠在較低壓力條件下完成膠體分離工作，不僅節省了動力，而且提高了分離效率。

2 超濾膜的截流及吸附特性

目前使用的超濾系統，其構成部分主要采用兩種物質，即聚砜類樹脂和再生纖維素，這兩種物質能夠對含有有機質的膠體進行吸附，這樣一來便造成膠體中有機質的損失。在測定截流以及吸附特性時，通常采用特定分子的有機物作為探針物質研究。目前，市面上使用的超濾膜種類很多，各種膜的性能差異較大，Buesseler對幾種常見超濾膜進了行研究，結果表明它們對有機質的接流量順序如下 ：Amicon>Filtron>Osmonics>Membrex。Gustefsion等也對各種超濾膜對膠體中有機碳的吸附損失進行了對比研究，研究發現，對于1KD濾膜，最大的是Osmonics，其吸附損失量高達70%；其次是Filtron，大概在20%-40%；Membaex的吸附損失最小，僅為2%左右。由此可見不同類型的超濾膜的吸附損失量大小與他們的制作工藝以及材料緊密相關。

2.1 膠體有機碳的回收率

在運用切向超濾技術的過程中，各方面的原因，必定造成有機碳的污染，為了檢測有機碳的污染程度，可以采用下面的公式對有機碳的質量平衡進行計算：

式中：

R：為膠體中有機碳的回收率；

Cf：濃縮因子，是切向超濾技術中非常重要的參數之一；

ρcp：為預濾液中膠體有機碳的質量濃度；

ρcu：為滲透液中有機碳的質量濃度；

ρcr：為回收液中有機碳的質量濃度。

2.2 膠體有機碳濃度的計算

下面公式可以對膠體中有機碳的濃度進行計算：

上式中，默認在超濾結束后，預濾液中膠體中的有機碳全部進入到回收液中，對于真溶解態的有機碳則平均的分配到超濾液及回收液中，也就是說，在超濾液和回收液中的真溶解態有機碳的濃度是一樣的，這個是理想狀態下切向超濾的結果，在實際操作過程中，結果雖然不會和它完全吻合，但是它可以作為結果的參考標準，具有重要的指導意義。

3 切向超濾技術在實際應用中存在的問題

3.1 濃縮因子Cf的選擇

目前對濃縮因子Cf的選擇存在兩種觀點，一種是以Guo為代表的高Cf值（一般大于40）觀點，在這種觀點中，高的Cf值是充分除去低分子真溶解態有機物的保證；另一種是以Dai為代表的低Cf值觀點，在這種觀點中，Dai認為，隨著Cf值的逐漸增大，回收液中的一部分大分子膠體會由于高溫的影響而突破超濾膜，進而進入超濾液。

3.2 系統進口壓的選擇

Zhang是香港理工大學的一位教授，他對近幾十年國內外切向超濾系統“膜失效”的問題進行了系統的研究，Zhang指出，當含有膠體的水經過濾膜時，存在兩種形式的流動，即切向回收流和法向滲透流，由于法向滲透流會在濾膜上形成堆積從而造成濃度差。當系統的進口壓力小于臨界壓力時，膜層會自動降低滲透壓，對超濾的效果不構成重大影響，但是當進口壓大于臨界值時，則會導致膜分離效果喪失。

4 切向超濾技術在環境科學中的應用

作為一種主要用于水體中有機碳、膠體分離的技術，近些年來，切向超濾技術已經受到了外界的廣泛關注，很多學者將其研究中心放在切向超濾技術上，并在環境科學領域中取得了巨大成果。

Qiu等就通過切向超濾技術從淺層海水以及藻類培養層中分離濃縮到了大于10KD的膠體，并對這些膠體進行了碳水化合物的定量以及脂質的分級研究；某大學教授Zhou運用切向超濾技術對水體中微量的甲基汞進行分離，在實際實驗過程中，Zhou發現，當濃縮因子Cf值的選擇低于15時，小分子的保留現象十分明顯；當濃縮因子Cf值的選擇高于15時，大分子膠體的滲漏現象可以忽略不計，因此他們Cf值大于15；Moroison經過研究發現，淡水中有機碳以及元素的分離效果在很大程度上受水中膠體的影響，對于切向超濾技術，大攔截孔徑切向超濾方法比相同攔截范圍的連續流的分離效果更好。

Bowan采用Fortran語言的形式編制了專門的切向超濾軟件，在此軟件中，以擴散系數、分子粘度以及滲透壓三個參數指標作為預測切向超濾系統的膠體分離效率；Katoerane等通過運用切向超濾技術對密西西比河中溶解的有機磷進行研究，研究發現，在河中所有溶解的有機磷中，大分子的溶解有機磷所占的比重很小，僅為4%，這個研究告訴我們，在密西西比河中，有機磷存在一個快速降解的循環體系，這個循環體系影響著水中無機磷與無機氮的比例，進而影響浮游生物的生長；孫小靜通過應用切向超濾技術來分析太湖藍藻的死亡過程，研究表明，太湖水體中存在各種形態的磷、氮以及碳，藍藻死亡后，由于分解作用會產生大量的顆粒態和膠體態營養鹽，進而導致水華現象，使得藍藻出現大規模的死亡。

Guo通過運用切向超濾技術，將海水中的膠體分成兩個等級，一個是介于0.2微米到1KD的膠體，另一個是介于0.2微米刀10KD的膠體。研究發現，海水中，大概有10%的溶解態釷元素屬于0.2微米到10KD之間。由于溶解態釷在顆粒相、真溶解想以及膠體相中的分布情況同有機質的分布情況極其類似，因此可以通過對有機物的分布情況反應釷的分布情況。

結語

切向超濾技術已經普遍應用到環境科學領域中，相信在不久的將來，切向超濾技術必定會作為一種常用技術運用到食品、醫藥以及化工等領域中。

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